大分工業高等専門学校紀要

第 48 号(平成 23 年 11 月)

２液自動定量供給装置の開発

橋本由介1・福永

圭悟2

1機械・環境システム工学専攻，2機械工学科

全自動多段反応槽式廃食用油精製プラントにおける0.2%希塩酸溶液と10%硫酸マグネシウム溶液の自動定量供給装置を開発した．3個の電動バルブを用いて200ccタンクに薬液を一端充填させることで薬液供給量200ccを確保した．電動バルブ開閉はシーケンサ制御する．3日分の薬液を貯蔵できるように内容量2000ccの薬液貯蔵タンクを設置する．200ccタンク内の空気抜きのため取り付けた通気パイプにより供給量誤差が生じるが供給量200ccに対して1%未満であったため無視できると考えた．試験運転を行った
結果，9回(1800cc)の連続定量供給が可能であった．200ccタンク内での2薬液の混合は確認できない．供給時間は1薬液1回供給あたり32秒であった．以上より2液自動定量供給装置構造を決定できたと考える．

キーワード : バイオディーゼル燃料，定量供給装置，電動バルブ

１．緒言

２．単段反応槽式廃食用油精製装置

日本では 1970 年代の石油危機などを契機として植物油

Fig.1 に現行単段反応槽式廃食用油精製装置を示す．単からバイオディーゼル燃料(BDF：Bio Diesel Fuel)を精製し，段反応槽式では撹拌，加熱，反応などをタンク 1 個で行う．

ディーゼルエンジン燃料として利用する研究が行われてこのタンクに廃食用油，温水，各薬液（メタノール，NaOH，きた．また近年では，有限資源の再利用と地球温暖化防止

0.2%HCℓ，10%MgSO4）を作業者が手動で供給，さらに不を背景に化石燃料に代わる再生可能燃料としても注目を純物排出や排水作業も作業者が手動で行っている．

集めている(1)．
大分県中津市の㈱エコネットは単段反応槽式廃食用油

2.1 BDF 精製フロー

精製装置を用いて廃食用油からBDFを精製している．原料となる廃食用油は中津市内の小中学校，レストランやファFig.2 を用いて，単段反応槽式廃食用油精製方法を示す．
・第 1 工程ーストフード店などから回収した使い古したてんぷら油

反応槽に廃食用油（トリグリセリド）とメタノール，触を使用しており，現在では2.0~2.5kℓ/月を精製している．

媒として水酸化ナトリウム(NaOH)を入れ，油温 90℃で 100精製したBDFは㈱エコネットの関連会社であるレンタル分撹拌するとメチルエステル交換により廃食用油は業㈱ナカノでの建設機械の燃料などに使用している．㈱エBDF(脂肪酸メチル)とグリセリンに分解される．この化学

コネットのBDF精製装置は手動操業のために，廃食用油回反応で生成されたグリセリンをタンク底にある手動バル収量の増加により反応槽容量不足の問題が生じた．また，ブを開いて排出する．BDF は薄いブラウン，グリセリンかねてより精製時間が5~6時間と長いことや不純物排出がは黒色のため，反応槽下部の手動バルブから黒いグリセリ作業者の目視判断に依存するなどの課題もあった．そこでンが排出し終わった直後にバルブを閉める．この作業は目㈱エコネットと西日本工業大学は「平成21年度大分県産学視で行っている．

官共同研究開発事業」に，研究開発課題名「高品質で効率

・第 2 工程的な生産性の高い廃食用油再生燃料精製プラント製造に触媒に用いた NaOH により BDF がアルカリ性となっておける排液・排水のオートメーション化」として申請し採いるため，0.2%HCℓ200cc と 60℃温水を反応槽に入れ 27択された．採択時条件として機械構造物設計は大分高専の分撹拌し BDF を中和する．撹拌後，排液(1 次排液)をタン協力を得ることが加えられた．
BDF精製プラントに使用する2液自動定量供給装置の開ク底の手動バルブにより排出する．この場合も第 1 工程と発を本科5年生の卒業研究とし行ったので報告する．

閉める時期を判断する．

同様に，BDF と排液の色の違いを利用して手動バルブを―10―大分工業高等専門学校紀要

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・第 3 工程さらに BDF を中和するために 10%MgSO4200cc と温水を入れ，温度 80℃で 33 分間撹拌する．撹拌後 30 分程度静反応槽置させ，第 1 工程と同様に排液(2 次排液)をタンク底の手動バルブにより排出する．
・第 4，5 工程
温水を導入し BDF を撹拌洗浄する工程である．温度90℃で 33 分撹拌後，約 30 分静置すると，比重の小さい
BDF は反応槽上部に，比重の大きい洗浄水は下部に分離手動バルブされるので，洗浄水だけを，第 1 工程と同様に手動バルブより排出する．
この工程を第 4 工程と呼ぶ．
第 5 工程では，洗浄水による洗浄時間を 38 分に長くするのみで，他は第4 工程と同様である．

Fig.1 単段反応槽式廃食用油精製装置

・第 6 工程BDF を約 110℃に加熱し，60 分間遠心力による脱水を行い，その後 60 分静置し冷却する．比重の差を利用して比重が大きい不純物を手動バルブより排出後，完成した BDFをドラム缶に移動する．

2.2

第 1 工程 第 2 工程 第 3 工程 第 4,5 工程 第 6 工程
90℃-100 分 60℃-27 分 80℃-33 分 90℃-33,38 分 110℃-60 分
0.2%HCℓ 10%MgSO4
加熱NaOH
温水×2
ﾒﾀﾉｰﾙ
温水
温水
110℃

問題点

反応槽

目視判別と手作業

一般に廃食用油は，廃油処理業者が有料で引き取るが，㈱エコネットでは無料回収を行うため廃食用油回収量がｸﾞﾘｾﾘﾝ排出 １次排液

2 次排液

排水BDF 抽出徐々に増加した．そのために現在の単段反応槽式によるプラントでは精製作業が追いつかなくなった．また，薬液投Fig.2 単段反応槽式廃食用油精製フロー

与や不純物排出時のバルブ開閉を全て作業者が行うことによって，BDF 品質が不安定になり，作業者が薬液に触れる危険も懸念される．以上のことから全自動多段反応槽による廃食用油精製技術を開発することになった．

３．全自動多段反応槽式廃食用油精製プラント
Fig.3 に，開発中の全自動多段反応槽式廃食用油精製方法を示す．反応槽を 3 台設置し，メチルエステル交換工程，中和・洗浄工程，脱水工程に分けることで精製時間の短縮を計画した．撹拌時間，反応時間などは Fig.2 に示す単段

Fig.3 全自動多段反応槽式廃食用油精製プラント

反応槽式精製方法と同じである．
第 1 工程NaOH
ﾒﾀﾉｰﾙ

第 2 工程0.2%HCℓ 10%MgSO4
温水×2
温水
温水

第 3 工程
加熱
110℃

第1槽
ﾒﾁﾙｴｽﾃﾙ交換

第2槽
中和・洗浄

第3槽
脱水

ｸﾞﾘｾﾘﾝ排出

１次排液 2 次排液

3.1 BDF 精製フロー
Fig.4 を用いて，全自動多段反応槽式廃食用油精製プラ
ント操業過程を示す．
・第 1 工程(第 1 槽)
反応槽に廃食用油とメタノール，触媒として NaOH を入れ，油温 90℃で 100 分撹拌するとメチルエステル交換により廃食用油は BDF(脂肪酸メチル)とグリセリンに分解

排水BDF 抽出される．この化学反応で生成されたグリセリンを，グリセリンと BDF の色の違いをセンサで感知し電動バルブ開閉全自動化を行い排出する．その後，精製油を第 2 槽へポンプで導入する．

Fig.4 全自動多段反応槽式廃食用油精製フロー―11―大分工業高等専門学校紀要

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・第 2 工程(第 2 槽)

モータ

薬液貯蔵タンク

廃食用油は触媒によりアルカリ性であるため，0.2%HCℓと 10%MgSO4 で中和する．不純物排出は前工程でのグリセリン排出と同様に電動バルブ開閉により行う．その後，温水により 2 回洗浄し，精製油を第 3 槽へ導入する．
回転軸

・第 3 工程(第 3 槽)

カップリング

BDF から脱水する工程である．不純物排出後，完成した BDF をドラム缶で貯蔵する．

3.2

タンク先端
排出穴

2 液自動定量供給装置開発

全自動多段反応槽式廃食用油精製プラントでは反応槽

One-motor による自動定量供給装置

Fig.5を 3 台に分けることにより，廃食用油から BDF 精製までの時間が大幅に短縮される．第 2 槽への温水供給はポンプ仕切り板

で 行 え る が ， 作 業 者 の 危 険 除 去 の た め に 0.2%HC ℓ と直交する2穴

10%MgSO4 を電気的制御によって各 200cc 自動供給できる装置が必要になった．そこで Fig.4 に示す第 2 工程での0.2%HCℓと 10%MgSO4 供給装置開発を行った．

3.2.1 One-motorによる自動定量供給装置

薬液供給穴

回転軸穴

最初に，駆動部簡素化のため，Fig.5 に示すモータ 1 台と内部を 2 分割した 1 個の薬液貯蔵タンク(Fig.6 参照)からFig.6 薬液貯蔵タンク

Fig.7 回転軸構成される装置を設計した．薬液貯蔵タンクの一方に0.2%HCℓを，他方に 10%MgSO4 を貯蔵する．Fig.7 にモータ軸と直結した 2 穴が直角に加工された回転軸を示す．

供給穴①
モータ

供給穴②
タンク先端

薬液①

Fig.8 を用いて薬液①と②を反応槽へ供給する方法を説明する．Fig.8 左上の図は，薬液供給①と②のいずれも，Fig.7 の回転軸に加工された 2 穴とは貫通していない状態回転軸を示す．Fig.8 右上に示すように，回転軸を 45°回転させると，回転軸の穴と薬液供給穴①が貫通し，薬液①が反応薬液②槽へ供給される．Fig.8 右下は，回転軸をさらに 45°回転した状態を示す．この場合も，Fig.8 左上と同様に，薬液供給穴と回転軸の穴とが貫通していないので，薬液①または②が反応槽へ供給されることはない．Fig.8 左下では，回転軸をさらに 45°回転した場合を示す．この場合は，

Fig.8

One-motor による薬液供給方法

薬液供給穴②と回転軸の穴が貫通するので，薬液②が反応槽へ供給されることになる．

薬液貯蔵タンクＡ以上のように，回転軸を 45°ずつ回転させることで薬液貯蔵タンクＢ0.2%HCℓ，10%MgSO4 を交互に Fig.4 の第 2 槽へ供給することができる．供給量 200cc は，供給穴①，②の開閉時間通気パイプによって制御する．しかし，この構造で一定流量供給するには，回転軸シール構造，供給穴半開時通過流量制御の複雑化などにより，装置信頼性低下が予想されたので開発を中断した．

電動バルブＣ3.2.2

電動バルブＡ

電動バルブ3台による自動定量供給装置

電動バルブＢ

次に，電動バルブ 3 台により供給口開閉を行う 2 液自動200ccタンク定量供給装置を考案した(Fig.9)．
この装置の特徴の 1 つは，供給量を一定にするために薬液を一度 200cc タンク内に充填させることである．3 台の電動バルブ開閉によって，2―12―

Fig.9 電動バルブ 3 台による自動定量供給装置

大分工業高等専門学校紀要

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液を確実に 200cc タンクへ充填させ，BDF 精製プラント第2 槽へ供給できる．0.2%HCℓと 10%MgSO4 の供給量がどちらも 200cc であるため，薬液を充填させる 200cc タンクを共有させることができる．以下に各部を説明する．
(a) 電動バルブ㈱KITZ 製青銅製電動バルブ EA200-TE-1(呼び径 B3/8)を使用した(Fig.10)．このバルブの特徴は，メーカー標準品であるので入手容易，安価，操作が簡単などである．

Fig.10 電動バルブ
D=Φ131mm(b) 薬液貯蔵タンク
薬液貯蔵タンクは 0.2%HCℓ用と 10%MgSO4 用の 2 つ用い，どちらも同じ形状寸法とした(Fig.11)．タンク側面は塩化ビニル製 A125 パイプを使用した．
L=150mm

内容量は約 2000cc になるように設計した．
この理由は，1 回の薬液供給量が 200cc であり，1 日に 3 回の操業ができること，さらに作業者負担が減るように 3 日分の薬液1800cc を貯蔵できるようにしたためである．
タンク底には装置メンテナンス時にタンク内薬液を全て排出するためのドレン穴をつけている．また，Fig.11 にドレン穴示すようにタンク内薬液が全て流れ出るように薬液供給口方向へタンク底に傾斜角 2°をつけた．ここで薬液貯蔵タンク容量(V=2000cc)を示す．

Fig.11 薬液貯蔵タンク

傾斜角2°

供給量調節ボルト
D=Φ67.4mm

D 2  1312
L 150  2020  103 [ mm 3 ]  2020[cc ]  1800[cc ]44L=57mm

V (c) 200cc タンク
Fig.12 に示す 200cc タンクは薬液貯蔵タンク A および Bからの薬液供給量を一定にするためのタンクである．タンク側面は塩化ビニル製 A65 パイプを使用した．内容量はドレン穴
Fig.12 200cc タンク

約 200cc になるように，直径 D=67.4mm，長さ L=57mm で傾斜角2°

薬液供給口設計した．
(d) 配管継手VD  67.4
L 
 57  203.3 10 3 [mm 3 ]  203[cc]442

電動バルブと各タンクはおすベンドとニップルにより2連結する．両薬液貯蔵タンクと 200cc タンク底にあるメン
テナンス用薬液排出口は Fig.13 に示すプラグで栓をする．

Fig.12 に示すように 200cc タンク上面には供給量調節ボルトを取り付けている．これは，配管継手や電動バルブ内各配管継手を Fig.14 に示す．組立時にはネジ部にシールテープを巻きつけて，薬液漏れを防いだ．の容積計算および測定が困難であるため装置組立後に，ボルトのねじ込み量により薬液充填量 200cc を確保するため(e) 電気回路である．ボルトは M16-50mm のため，調整可能量は最大10cc となる．

電動バルブ用電気回路を製作した(Fig.15)．スイッチはナショナル製 5-3020-15A-250V，ヒューズは三菱電機製

200cc タンク底には装置メンテナンス時にタンク内薬液NF30-CS 5A を使用した．電動バルブ開閉はシーケンサ制を全て排出するためのドレン穴をつけている．また，タン御で自動運転する．Fig.9 と Fig.16 を用いて操作手順を示

ク内薬液が全て流れ出るように薬液供給口方向へタンクす．

底に傾斜角 2°をつけた．また，200cc タンク上には通気① 薬液貯蔵タンク A に 0.2%HCℓを，薬液貯蔵タンク B にパイプを取り付けた．この通気パイプについては第 4 章で説明する．

10%MgSO4 をそれぞれ貯める．
② 電動バルブ A を開き，0.2%HCℓを 200cc タンク内に充―13―

大分工業高等専門学校紀要

第 48 号(平成 23 年 11 月)

４．通気パイプ填する．
③ 電動バルブ A を閉じる．
④ 電動バルブ B を開け，0.2%HCℓを Fig.4 の第 2 槽へ供

4.1 通気パイプの必要性給する．

200cc タンク内の空気抜きを目的として通気パイプを取⑤ 電動バルブ B を閉じる．

り付けた．200cc タンク内の通気パイプなしで装置を運転⑥ 電動バルブ C を開き，10%MgSO4 を 200cc タンク内にすると，以下に示す 2 つの問題があることがわかった．

充填する．

① 薬液を 200cc タンク内に供給するとき，200cc タンク内⑦ 電動バルブ C を閉じる．に薬液が充填されない．

⑧ 電動バルブ B を開け，10%MgSO4 を Fig.4 の第 2 槽へ供給する．

この理由は，Fig.17 に示すように電動バルブ A または Cを開け 200cc タンク内に薬液を供給する際，200cc タンク内空気が薬液貯蔵タンク内に逃げずに 200cc タンク内に留まるためである．
② 200cc タンクから薬液の排出ができない．
電動バルブ B を開けるとき，電動バルブ A と C が閉まっているため 200cc タンク内が負圧になるためである．

おすベンド

おすベンド

この 2 つの問題を解決するには次の 2 方法がある．

プラグ① 電動バルブの呼び径を大きくする．
② 空気穴をあける(通気パイプの取付け)．

ニップル

装置製作コストと小型設計を考慮して，解決方法②を採Fig.13 各配管継手設置部分択し，Fig.18 に示す通気パイプを 200cc タンク上に取り付ける設計変更を行った．

4.2 通気パイプによる供給量誤差
通気パイプによって第 2 層への薬液供給が可能になるが，通気パイプに残存する薬液のために供給量に誤差が生じる．設計上は，200cc タンク内薬液と通気パイプ内薬液
ベンド

ニップル

プラグ

Fig.14 配管継手の合計を 200cc とする必要がある．通気パイプ内水位は薬液貯蔵タンクと同じになるため，通気パイプ内に流れ込む量により，供給回数が多くなると共に供給量は次第に少なくなる．すなわち，通気パイプ内薬液量も減少する．
そこで通気パイプによる供給量の誤差を求めた．最大誤差は Fig.18 に示す，薬液貯蔵タンク内に薬液が満たされている場合と薬液貯蔵タンク内が空になったときの通気パイプ内に流れ込んだ薬液容積の差である．よって，通気パイプ内径は d=φ4mm，薬液貯蔵タンク高さは h=150mm であるから，供給量最大誤差ΔV は，

V 

Fig.15 電気回路

d 2  42h 
 150  1884[mm 3 ] ≒ 1.88[cc]44である．設計値 200cc に対する誤差は，

V
1.88
 100% 
 100%  0.94%
V200
電動バルブ A

電動バルブ B

電動バルブ C

従って，最大誤差は供給量200ccの約1%であることがわかる．よって通気パイプ内薬液による供給量誤差は実用上

Fig.16 電気回路配線図無視できる．

―14―

大分工業高等専門学校紀要

薬液貯蔵タンクＡ

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薬液貯蔵タンクＢ

電動バルブＣ電動バルブＡ電動バルブＢ200ccタンク

Fig.19 ポスターカラ

Fig.20 ビーカ

Fig.17 電動バルブ3台による薬液供給方法
通気パイプ

L=150mmd=4mm

Fig.21 供給後の着色水と無色水
MgSO4 薬液の混合は発生しないことが確認された．

６．結論
全自動多段反応槽式廃食用油精製プラントにおける0.2%HCℓ薬液と10%MgSO4薬液供給を行う2液自動定量

Fig.18 通気パイプによる供給量誤差供給装置を開発した．本研究結果をまとめると次のように

５．試験運転なる．
(1) 通気パイプによる供給量誤差は1%未満，9回(1800cc)次の 2 点を確認するために，試験運転を行った．の連続定量供給が可能である．

(1) 薬液貯蔵タンク A と B の容積は 2000cc としたが，設(2) 200ccタンク内での2薬液の混合はほとんど発生しない．
(3) 供給時間は1薬液1回供給あたり32秒であり，実用上問計目標通り連続操業 9 回が可能であること．
(2) 共通使用の 200cc タンクで残留薬液 A と B が混合しな題ない．
以上より2液自動定量供給装置を開発することができた．

いこと．薬液が混合すると，BDF の品質が低下することが予想される．
薬液貯蔵タンク A に黒の着色水，薬液貯蔵タンク B に謝辞

無色水を入れた．供給後の無色水への黒の色移りを目視で本論文は，著者の一人が大分高専機械工学科卒業研究で確認し，液体の混合がないかを判断する．着色には ぺん

行った「2液自動定量供給装置の開発」についてまとめた

てる㈱ ポスターカラ(くろ)を使用した(Fig.19)．また，薬ものである．本研究を行うに当たり多大なご指導，ご鞭撻

液供給量計測には 500mℓビーカを使用した(Fig.20)．

を賜った三菱電機㈱井上俊二氏に深く感謝の意を表しまFig.21 に供給後の着色水と無色水の例を示す．設計目標

す．2液自動定量供給装置の開発に関し，㈱エコネット中通り 9 回まで 200cc 定量供給が可能であった．Fig.21 にお野陽一氏，西日本工業大学鷹尾良行教授をはじめ関係者のいて，ビーカ周囲の水位が高いように見えるがこれは水の方々のご協力に深く感謝いたします．実験に協力して下さ表面張力によるものである．開発目標としていた 9 回った西日本工業大学鷹尾研究室の工藤竜也氏に感謝する．

(1800cc)の定量供給ができていることから薬液貯蔵タンク設計容量は適正であることがわかった．供給時間は 1 薬液
1 回供給あたり 32 秒であり，実用上問題ないことがわか

参考文献
1) 池上詢(京都市バイオディーゼル燃料化事業技術検討会った．200cc タンクを 2 薬液で共通にしたことによる 2 液委員長)，改訂版バイオディーゼル・ハンドブック，日混合は，9 回の試験運転全てで供給後の無色水への黒の色移りは目視では確認できなかった．従って，全自動多段反報出版㈱2) 三菱電機，http://wwwf2.mitsubishieℓectric.co.jp

応槽式廃食用油精製プラントに取り付ける電動バルブ台

3) 株式会社KITZ，http://www.kitz.co.jp/

による 2 液自動定量供給装置での，0.2%HCℓ薬液と 10%―15―(2011.9 .30 受付)